Vai al contenuto principale
Oggetto:
Oggetto:

CHIMICA FISICA II - Corso B (cognomi L-Z)

Oggetto:

PHYSICAL CHEMISTRY II

Oggetto:

Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN1167
Docenti
Bartolomeo Civalleri (Titolare)
Elena Clara Groppo (Titolare)
Corso di studio
Chimica e Tecnologie Chimiche
Anno
2° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
8
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto
Prerequisiti
Matematiche, in particolare algebra lineare ed analisi; fisica (meccanica in particolare) ed elettromagnetismo
Mathematics, and in particularl linear algebra and analysis; physics (mechanics in particular) and electromagnetism.
Propedeutico a
Chimiche Fisiche successive; tutti i corsi che abbiano un qualche riferimento alla struttura elettronica di atomi, molecole e solidi e alle spettroscopie.

Later physical-chemical courses; all courses that have some kind of reference to the electronic structure of atoms, molecules and solids, and to spectroscopy.
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Fornire gli strumenti formali e concettuali per la comprensione della complessità chimica, apertura verso l'approccio quantomeccanico alla chimica

Provide formal and conceptual tools for understanding the chemical complexity; opening to a quantum-mechanical approach to chemistry.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Familiarità con il sistema periodico, i concetti fondamentali legati alla struttura elettronica dei sistemi di interesse chimico (atomi, molecole, solidi, liquidi,  spettroscopie).

Familiarity with the periodic system, basic concepts related to the electronic structure of the systems of chemical interest (atoms, molecules, solids, liquids, spectroscopy.

 

Oggetto:

Programma

  1. Richiami di matematica e di algebra lineare.
  2. Teoria dei Gruppi. Elementi e operazioni di simmetria, ordine di un gruppo. Classi. Tavola di moltiplicazione. Basi e rappresentazioni. Tavole dei caratteri e loro interpretazione vettoriale. Rappresentazioni Riducibili (RR) e loro scomposizione. Simmetria dei moti di traslazione, rotazione e vibrazione delle molecole. Attività vibrazionale IR e Raman.
  3. Introduzione alla meccanica quantistica (MQ). L’inadeguatezza della meccanica classica a scala atomica: corpo nero; effetto fotoelettrico; diffrazione di elettroni e dualismo onde/particelle; spettri atomici di emissione. Lo spettro dell’atomo di idrogeno. Il principio di indeterminazione di Heisenberg.
  4. L’equazione d’onda quantistica e l’equazione di Schröedinger (EdS). L’EdS come problema agli autovalori. Postulati della meccanica quantistica e loro significato. Funzione d’onda e probabilità. Requisiti della funzione d’onda.
  5. La MQ applicata a sistemi semplici: (a) particella nella scatola (mono- e tri-dimensionale); (b) l'oscillatore armonico (e le vibrazioni delle molecole); (c) ilrotatore rigido.
  6. I metodi approssimati e la teoria delle perturbazioni. Esempi per oscillatore anarmonico e gli atomi di H e di He. Il metodo variazionale (lineare e non): nessi con l’algebra lineare e con l’uso del calcolatore. Il metodo LCAO e la molecola di H2.
  7. Struttura atomica. L’atomo di idrogeno (trattazione breve): EdS; separazione delle variabili; soluzione esplicita della parte in φ. Autovalori e autovettori, degenerazione e rappresentazione grafica. Nodi e superfici nodali. Orbitali atomici (AO). Momento angolare e nesso con il rotatore rigido. Significato dei numeri quantici l e m. Lo Spin. Schema dei livelli e spettroscopia dell’atomo di H. La rappresentazione delle funzioni d’onda. Atomi polielettronici: aufbau e costruzione del sistema periodico. Configurazioni, stati e simboli di termine. Il principio di antisimmetria e il determinante di Slater.
  8. La molecola H2+. Impostazione dell’EdS e approssimazione di Born-Oppenheimer. Il metodo LCAO e gli orbitali molecolari dell'H2+.
  9. Semplici molecole biatomiche omo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) ed etero-nucleari (CO, HF ed NaCl). Ibridazione: metano, etilene ed acetilene. Il metodo di Hückel. Sistemi coniugati e delocalizzazione elettronica. Molecole aromatiche: il benzene.
  10. L’interazione materia-radiazione. Cenni sulla teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Spettroscopie di interazione campo-dipolo e magnetiche. Probabilità di assorbimento ed emissione e coefficienti di Einstein. Cenni sui LASER. Lo studio sperimentale dell’interazione materia-radiazione. Lo spettro elettromagnetico e le principali tecniche spettroscopiche.
  11. Spettri rotazionali di molecole biatomiche. Numero, disposizione ed intensità delle bande. Effetto di T (distribuzione di Boltzman).
  12. Spettri vibrazionali: approfondimenti sulla base dei modelli sviluppati nella prima parte. Introduzione alla spettroscopia Raman.
  13. Spettri elettronici. Principio di Franck-Condon e struttura vibronica. Cromofori. Fluorescenza e fosforescenza.

The course provides an introduction to the atomic and molecular quantum theories. It covers the fundamentals of quantum mechanics with its postulates and theorems. We illustrate the reference models (the free particle, the molecule that rotates or vibrates, the hydrogen atom) and techniques (variational method and perturbation theory, group theory). The electronic structure of the molecules (with references to the atomic states and the condensed state) and the information that can be drawn from the rotational and vibrational spectroscopy are the primary focus of the course. The full program is as follows:

  1. Notes on mathematics and linear algebra.
  2. Group Theory. Symmetry elements and operations, order of a group. Classes. Multiplication table. Bases and representations. Character tables and their vector interpretation. Reducible Representations (RR) and their decomposition. Symmetry of the translation, rotation and vibration motions of molecules. IR and Raman vibrational activity.
  3. Introduction to quantum mechanics (QM). The inadequacy of classical mechanics at the atomic scale: black body; photoelectric effect; electron diffraction and wave/particle dualism; atomic emission spectra. The spectrum of the hydrogen atom. Heisenberg's uncertainty principle.
  4. The quantum wave equation and the Schröedinger equation (EdS). EdS as an eigenvalue problem. Postulates of quantum mechanics and their meaning. Wavefunction and probability. Wavefunction requirements.
  5. QM applied to simple systems: (a) particle in the box (one- and three-dimensional); (b) the harmonic oscillator (and the vibrations of the molecules); (c) the rigid rotator.
  6. Approximate methods and perturbation theory. Examples for anharmonic oscillator and H and He atoms. The variational method (linear and non-linear): connections with linear algebra and the use of the calculator. The LCAO method and the H2 molecule.
  7. Atomic structure. The hydrogen atom (short discussion): EdS; separation of variables; explicit solution of the part in φ. Eigenvalues ​​and eigenvectors, degeneracy and graphical representation. Nodes and nodal surfaces. Atomic orbitals (AO). Angular momentum and connection with the rigid rotator. Meaning of the quantum numbers l and m. The Spin. Level scheme and spectroscopy of the H atom. Representation of wave functions. Polyelectronic atoms: aufbau and construction of the periodic system. Configurations, states and termination symbols. The antisymmetry principle and the Slater determinant.
  8. The H2+ molecule. Setting the EdS and Born-Oppenheimer approximation. The LCAO method and the molecular orbitals of H2+.
  9. Simple diatomic homo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) and hetero-nuclear (CO, HF and NaCl) molecules. Hybridization: methane, ethylene and acetylene. Hückel's method. Conjugated systems and electronic delocalization. Aromatic molecules: benzene.
  10. The matter-radiation interaction. Notes on the theory of time-dependent perturbations. Field-dipole interaction and magnetic spectroscopies. Absorption and emission probabilities and Einstein coefficients. Notes on LASERS. The experimental study of matter-radiation interaction. The electromagnetic spectrum and the main spectroscopic techniques.
  11. Rotational spectra of diatomic molecules. Number, arrangement and intensity of the bands. Effect of T (Boltzman distribution).
  12. Vibrational spectra: insights based on the models developed in the first part. Introduction to Raman spectroscopy.
  13. Electronic spectra. Franck-Condon principle and vibronic structure. Chromophores. Fluorescence and phosphorescence 
Oggetto:

Modalità di insegnamento

Lezioni frontali alla lavagna con proiezione di diapositive di supporto.

 

Frontal lectures with the use of the blackboard and projection of support slides.

Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d’esame intende verificare le conoscenze di base acquisite dallo studente sui principi e sui metodi della meccanica quantistica e le capacità (incluse quelle di ragionamento critico) nell’applicarle alla descrizione della struttura (configurazione elettronica, legami, geometria, ecc.) e delle proprietà chimico-fisiche (stabilità, proprietà elettriche, proprietà chimiche, spettroscopia, ecc.) di atomi e molecole.

L’esame consiste in una prova scritta strutturata in una serie di domande a risposta aperta e di esercizi numerici sugli argomenti dell’insegnamento. Ad ogni domanda e/o esercizio viene attribuito un punteggio parziale (in trentesimi) che tiene conto della sua specifica difficoltà, sia in termini di conoscenze richieste che di tempo necessario per la risposta. Il voto finale è dato dalla somma dei punteggi parziali, fino ad un massimo di 30/30 e Lode.

Qualora il voto finale risulti essere prossimo alla sufficienza viene data facoltà allo studente di integrare lo scritto, con un breve esame orale sugli argomenti risultati più critici in modo da raggiungere eventualmente la sufficienza. L'integrazione orale potrà essere richiesta dal docente anche in quei casi in cui l'esame scritto evidenzi gravi lacune in alcune parti del programma.

The exam test aims at verifying the basic knowledge acquired by the student on the principles and methods of quantum mechanics and the capabilities (including critical reasoning) in applying it to the description of the structure (electronic configuration, bonds, geometry, etc.) and of the chemical-physical properties (stability, electrical properties, chemical properties, spectroscopy, etc.) of atoms and molecules.
The exam consists of written test structured in a series of open questions and numerical exercises on the teaching topics. To each question and/or exercise a partial score is assigned (in fractions of 30) that takes into account the specific difficulty, in terms of both the required knowledge and the time needed for response. The final vote is obtained by the sum of the partial scores, up to a maximum of 30/30 and Lode.
If the final mark is close to sufficience, the student will have the possibility to integrate the written exam with a short oral on the most critical topics, so to reach the sufficiency. The oral integration can be requested by the Professors when the written exam reveals serious deficiencies in some parts of the program.

Oggetto:

Attività di supporto

Eventuali esercitazioni al di fuori dell'orario ufficiale su espressa richiesta degli studenti

Exercises outside the official timetable on students request.

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

Testi di riferimento:

P. Atkins & J. De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli

 

Testi per consultazione:

- G. K. Vemulapalli, Chimica fisica, Edises.
- McQuarrie D. A.; Simon J. D., Chimica fisica. Un approccio molecolare, Zanichelli.
Versione inglese dello stesso.
(N.B. Questo testo non è più in catalogo. Lo studente ne può trovare copie nella biblioteca chimica).

- Lucidi presentati a lezione.

Textbooks:

- P. Atkins & J. De Paula, Physical Chemistry, Oxford

Other textbooks:
- G. K. Vemulapalli, Physical Chemistry, Edises.
- D. A. McQuarrie; J. D. Simon, Physical Chemistry. A molecular approach, USB.
(Note: This text is not publlished anymore. Students can find copies of it in the chemistry library.

- Slides presented in class.



Oggetto:

Note

Frequenza non obbligatoria, ma fortemente raccomandata.

Le modalità di svolgimento dell'attività didattica potranno subire variazioni in base alle limitazioni imposte dalla crisi sanitaria in corso. In ogni caso è assicurata la modalità a distanza per tutto l'anno accademico

Attendance: not required, but strongly recommended.

he procedures for carrying out the lectures may change in agreement with the sanitary emergency restrictions. Anyway the online learning will be ensured for the whole year

Registrazione
  • Chiusa
    Apertura registrazione
    01/03/2020 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/12/2022 alle ore 23:55
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 20/10/2023 18:04
    Non cliccare qui!